Hochintegrierte Prozessoren
Ethernet in der Fabrikautomation
Eine auf Ethernet basierende Industriekommunikation ist für die Fabrik- und Prozessautomatisierung durchaus keine unerreichbare Zukunftsvision mehr, sondern wird inzwischen mit hohem Tempo umgesetzt. Aber es bleiben Stolpersteine.
Bei der Umsetzung von Ethernet in der Industriekommunikation bestehen weiterhin Herausforderungen im Zusammenhang mit den Kosten, der Komplexität und der Skalierbarkeit. Und das hat zur Folge, dass auch heute noch die leitungsgebundene Kommunikation in den meisten Fällen über serielle Schnittstellen abgewickelt wird. An- gesichts der Kosteneffektivität und Zuverlässigkeit von IO-Link und RS-485 sowie der Vertrautheit der Entwickler mit diesen Standards ist diese Praxis durchaus nachvollziehbar.
Neue Embedded-Prozessor-Technologien tragen allerdings dazu bei, den Umstieg auf Ethernet zu beschleunigen, denn sie bieten integrierten MAC-Support und unterstützen verschiedene industrielle Ethernet-Protokolle wie EtherCat und Profinet. Nachfolgend wird ein Einblick in die Herausforderungen beim Design industrieller Kommunikationssysteme gegeben und gezeigt, welche Rolle Embedded-Prozessoren für die Akzeptanz von Ethernet spielen können.
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Vorteile von Ethernet in der industriellen Kommunikation
Wenn in modernen Fertigungsprozessen die Forderungen nach mehr Effizienz und Flexibilität erfüllt werden sollen, muss mit Kommunikationsprotokollen gearbeitet werden, die die schnell steigende Bandbreite vernetzter Systeme bewältigen können. Es werden immer mehr Sensoren eingesetzt, gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Verarbeitungsfähigkeiten, inklusive Edge-AI-Aufgaben. All das führt dazu, dass Systeme zunehmend die Fähigkeit besitzen müssen, schnell und zuverlässig immer größere Datenmengen zu übertragen. Hier kann Ethernet seine Vorteile ausspielen und einen Mechanismus für den Transfer latenzkritischer Daten bieten – insbesondere für Time-Sensitive Networking und Protokolle wie EtherCAT und Profinet.
Das gilt natürlich auch im Zusammenhang mit der Umstellung auf Industrie 4.0, in der immer mehr Fabriken auf Ethernet setzen, um dem hohen Bandbreitenbedarf moderner Systeme gerecht zu werden und von einer verstärkt datengetriebenen Entscheidungsfindung zu profitieren. Ethernet verbessert die Echtzeiteigenschaften der Fabrik- und Prozessautomatisierung und versetzt die Fertigungsstätten der nächsten Generation in die Lage, einen größeren Umfang an Machine Learning, vorausschauender Analyse und autonomer Robotik zu integrieren.
Embedded-Prozessoren als Basis für den Umstieg
Embedded-Prozessoren sorgen in industriellen Kommunikationsdesigns für eine zuverlässige Kommunikation zwischen den Systemen. Diese Aufgabe werden sie auch in Ethernet-basierten Netzwerken weiter erfüllen. Sie können hier jedoch noch mehr leisten – insbesondere in Bezug auf die vorausschauende Instandhaltung und Systemüberwachung: Embedded-Prozessoren, also Mikrocontroller und Mikroprozessoren, spielen eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf die Ethernet-basierte Kommunikation, denn sie unterstützen den Umgang mit den wachsenden Datenmengen, die zwischen vernetzten Systemen übertragen werden, und stellen die Interoperabilität über verschiedene Netzwerkprotokolle hinweg sicher. Komponenten wie die Mikrocontroller der AM2432-Reihe von TI tragen dazu bei, das Potenzial von Echtzeitsteuerung und -kommunikation in industriellen Systemen auszubauen, und zwar durch mehr Verarbeitungsleistung und integrierte Funktionen sowie quelloffene, einfach anwendbare Software.
Die Rolle von Embedded-Prozessoren in industriellen Kommunikationsdesigns hat sich also nicht verändert, aber moderne Bauelemente sind im Verbund mit der passenden Software in der Lage, Ethernet-basierte Designs zu optimieren. Denn mit der ständig steigenden Rechenleistung moderner Embedded-Prozessoren können Entwickler ihre auf Ethernet-basierten Protokollen aufsetzenden Echtzeitsteuerungen durch komplexe Software aufwerten.
Texas Instruments verfügt über eine ganze Palette von Halbleiterkomponenten für diese Art der Anwendung, angefangen bei kosteneffizienten Mikrocontrollern bis hin zu höchst leistungsfähigen SoCs auf Basis von Cortex-A72x-Prozessorkernen. Die Bauelemente kombinieren traditionelle Echtzeitsteuerungs- und Sensing-Funktionen mit Kommunikations-, Speicher-, Sicherheits- und Datenverarbeitungs-Features, die früher nur von anspruchsvolleren Systemen geboten wurden. Die Bausteine helfen Designern ferner dabei, ihren Umstieg auf Ethernet besser zu managen, indem sie eine Vielzahl von Feldbus-Protokollen unterstützen und auch Support für industrielle Ethernet-Protokolle mit Übertragungsraten von bis zu 1 Gbit/s bieten.
Weitere To-dos für die Umstellung
Die Verbesserung der Konnektivität zwischen den immer zahlreicher werdenden, per Ethernet vernetzten Systemen inner- und außerhalb der Fabriken wird die Effizienz weiter steigern und ganze Lieferketten optimieren. Die Fähigkeit, mehr Daten von immer mehr Sensoren zu bewältigen, hat gemeinsam mit den zunehmenden Verarbeitungsfähigkeiten außerdem zur Folge, dass die Herstellungsprozesse flexibler werden können, während mithilfe von Edge-AI gleichzeitig ein höheres Maß an Intelligenz und Entscheidungsfindung an den Außengrenzen der Netzwerke angesiedelt werden kann.
Der Weg zu einer breit gefächerten Ethernet-Nutzung in den Fabriken begann mit der breitbandigeren Echtzeitkommunikation und bindet inzwischen auch die AI-Verarbeitung ein. Fortschritte in der Halbleitertechnologie machen es möglich, mehr Daten zwischen vernetzten Anwendungen zu übertragen, sodass immer mehr Entscheidungen in der Edge gefällt werden können, wo die Sensoren aktiv Daten erfassen. Hierdurch werden die Latenzen geringer, und der gesamte Betrieb gewinnt unter dem Strich an Effizienz und Sicherheit.
Der Autor
Vaibhav Desai ist Technical Account Manager bei Texas Instruments
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